作者簡介：孟慶波（1973—），男，河南孟津人，講師，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)及變頻調(diào)速（E-mail：13838027936@139.com）；索娜（1973—），女，河南鄭州人，副教授，碩士，研究方向：電氣化鐵道技術(shù)。

摘要：根據(jù)通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進行設(shè)計。實現(xiàn)了下位機（主控制器、分支控制器和表決器）的通信協(xié)議和上位機（計算機）的通信協(xié)議。該協(xié)議適用于計算機和單片機點對點通信的情況。本文所提出的通信協(xié)議的設(shè)計思想和思路方法對于相關(guān)設(shè)計和應(yīng)用具有一定的參考意義和借鑒價值。

關(guān)鍵詞：通信協(xié)議；單片機；計算機；電子投票表決系統(tǒng)

中圖分類號：TP368文獻標識碼：A

1引言

大型電子投票表決系統(tǒng)支持大型會議（如300-500人）的電子表決功能，采集和統(tǒng)計大量重要的短時表決數(shù)據(jù)必須準確穩(wěn)定，實時性好，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、中距離、高速率、低成本的多機通信。目前，對大型電子投票表決系統(tǒng)的研究和應(yīng)用成為智能會議系統(tǒng)的重點和難點，而系統(tǒng)通信的可靠性在很大程度上依賴于是否有一個好的通信協(xié)議。本文重點研究大型電子投票表決系統(tǒng)的通信協(xié)議。

2通信協(xié)議設(shè)計

在集散控制系統(tǒng)中，上位機與下位機之間如何進行數(shù)據(jù)傳輸，怎么提高通信的效率和可靠性，以及對通信過程中的故障處理，幀格式的約定，都需要一套詳盡的通信協(xié)議。

通常，一個集散控制系統(tǒng)由一個主控計算機（上位機）和一系列單片機（下位機）構(gòu)成，它們之間再通過一定的物理媒介連接在一起，以完成必要的通信功能。對于一個特定的測控系統(tǒng)而言，所要測控的對象和所采取的測控算法是個有個性的東西；而上位機和下位機之間的通信可以看作是一系列命令流和數(shù)據(jù)流的流動，所采用的通信協(xié)議是用來保證傳輸過程的可靠和高效，是具有共性的，能夠也應(yīng)該有一個統(tǒng)一的設(shè)計標準[1]。

2.1通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)

通信協(xié)議的設(shè)計通常采用分層的機構(gòu)，如ISO的OSI參考模型[2]?；赗S485串行接口的電氣標準屬于七層OSI模型物理層的協(xié)議標準，如圖1所示。

物理層是利用物理媒介實現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程，提供用于建立、保持和斷開物理連接的機械的、電氣的、功能的和過程的條件；數(shù)據(jù)鏈路層用于建立、維持和拆除鏈路連接，實現(xiàn)無差錯傳輸?shù)墓δ?；?yīng)用層針對不同的應(yīng)用，利用鏈路層提供的服務(wù)，完成不同通信節(jié)點之間的通信。

2.2通信協(xié)議的分層設(shè)計

1）物理層協(xié)議設(shè)計

上位機（計算機）和下位機（單片機）都掛在通信總線上，物理層的通信協(xié)議由RS485標準和多單片機通信方式共同實現(xiàn)。物理層要完成發(fā)送及接收字節(jié)流的任務(wù)，但對傳輸過程的可靠性不做出保證，而由高層協(xié)議來保證。物理層為鏈路層提供接口（以子程序的形式來描述），包括Send子程序（功能為發(fā)送一個字節(jié)）及Receive子程序（功能為接收一個字節(jié)）。

2）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計

鏈路層可以引入幀長度域、冗余字節(jié)和CRC校驗等方法進行差錯處理[3]。鏈路層向上層（應(yīng)用層）提供的接口為SendFrame（功能是發(fā)送一幀）和ReceiveFrame（功能是接收一幀），其中利用了下層（物理層）提供的接口。

3）應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計

應(yīng)用層是協(xié)議的最高層，它的設(shè)計對于不同的應(yīng)用可以有所不同，但是也存在很多通用性的原則。應(yīng)用層也個有一定的差錯檢查能力：首先，它引入了冗余類型字節(jié)；其次，數(shù)據(jù)域字節(jié)也可以采用CRC校驗等方法進行校驗[3]。

2.3通信協(xié)議的機制規(guī)范

基于本協(xié)議的通信可以有兩種機制。一種是面向握手的，即每發(fā)出一幀，總是要等待確認幀，否則將認為是通信出錯。這是一種可靠的通信方式，適合傳輸系統(tǒng)命令和一些非常重要的系統(tǒng)參數(shù)。另一種是無握手的，即發(fā)送方假設(shè)接收方總是接收正確，從而無須等待確認幀就不停地發(fā)送，適合大量前端采集數(shù)據(jù)的發(fā)送。在計算機與單片機實現(xiàn)編程通信之前，兩者之間需要規(guī)定握手協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性[4]。在本系統(tǒng)中，單片機與單片機之間采用同樣格式的通信協(xié)議。在上位機呼叫下位機地址之后，就可利用本協(xié)議的規(guī)范來設(shè)計具體的通信流程。

另外，設(shè)計一套完整的通信協(xié)議還要求結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、高效可靠，同時要求具有通用性、兼容性與可擴充性，并且盡量標準化。

3通信協(xié)議實現(xiàn)

電子投票表決系統(tǒng)從本質(zhì)上來講，可認為是一個分布式的數(shù)據(jù)采集與集散控制系統(tǒng)。在集散控制系統(tǒng)中，普遍采用RS-485總線作為底層通信接口[5]。

大型電子投票表決系統(tǒng)以RS485半雙工通信協(xié)議為基礎(chǔ)，由計算機、主控制器、分支控制器和表決器構(gòu)成一個多級分層的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。下位機（包含主控制器、分支控制器和表決器）采用AT89CXX系列單片機實現(xiàn)，構(gòu)成了一個符合RS-485通信規(guī)范的主從分布、三級驅(qū)動、串行連接的多機網(wǎng)絡(luò)[6]。

軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括基于Windows操作系統(tǒng)的計算機（上位機）統(tǒng)計管理軟件設(shè)計和采用單片機技術(shù)的主控制器、分支控制器和表決器（下位機）的通信程序編寫。系統(tǒng)采用異步串行通信、主從呼叫響應(yīng)的通信方式，完成下位機通信、上位機通信和上下位機間的通信等功能。主控制器、分支控制器和表決器基于RS-485通信協(xié)議，采用查詢和地址數(shù)據(jù)回送的方式實現(xiàn)相互通信和統(tǒng)計功能。最后由主控制器對數(shù)據(jù)進行收集、統(tǒng)計和處理，并回送計算機。

通信協(xié)議的實現(xiàn)主要包括下位機通信協(xié)議、上位機通信協(xié)議、上下位機間的通信過程等幾個部分。

3.1下位機通信協(xié)議

3.1.1主控制器通信協(xié)議

主控制器核心芯片89C52對應(yīng)的主控制器的通信協(xié)議。

主控制器至PC機通信協(xié)議：

1） 一般約定：

（1）采用RS-485（也可采用RS-232，需轉(zhuǎn)換）標準串行接口，完成主控制器至PC機通信。

（2）波特率為：9600 bit/s。

（3）1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗。

2） 幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

起始碼（固定為ASCII碼“BJ”）

命令碼

數(shù)據(jù)

校驗碼

3） 命令碼定義：

表1命令碼定義表

命令名稱

命令碼（ASCII碼）

1.表決器測試（注冊）開始

“C”

2.表決器測試（注冊）結(jié)束

“E”

3.表決開始

“B”

4.計票數(shù)據(jù)（表決動態(tài)數(shù)據(jù)）

“P”

5.表決結(jié)束（含計票結(jié)果）

“X”

3.1.2分支控制器通信協(xié)議

電子投票表決系統(tǒng)的分支控制器核心芯片89C51對應(yīng)的分支控制器的通信協(xié)議。

通信協(xié)議約定：對于11.059M晶振，波特率設(shè)定為 14400，倍速為28800，單字節(jié)傳輸時間為 347us，延時為1ms。

3.1.3表決器通信協(xié)議

電子投票表決系統(tǒng)的表決器核心芯片89C2051對應(yīng)的表決器的通信協(xié)議。

通信協(xié)議約定：對于11.0592M晶振，波特率設(shè)定為 9600，延時為10ms。接受和發(fā)送數(shù)據(jù)為定長8字節(jié)。表決時改為按鍵短時保持。

3.2上位機通信協(xié)議

Visual Basic提供三種通信編程方式。一是使用MSComm控件；二是使用Windows API；另外一個就是使用Inp和Out直接對端口讀寫方式[7]。本論文利用MSComm控件實現(xiàn)計算機與主控制器的通信。

在上位機開始表決子程序的通信協(xié)議中，包含以下過程：

1）設(shè)置打開通信端口1（COM1），并設(shè)置通信參數(shù)為19200波特，不校驗，8個數(shù)據(jù)位，一個停止位。

2）發(fā)送單片機命令：

為了使主機能夠?qū)φ麄€檢測過程進行實時控制，須要在發(fā)送命令以后設(shè)定等待的時間，也可以通過條件判斷下一步是發(fā)達還是接收命令。對發(fā)送的命令，可能是文本方式或二進制代碼。發(fā)送命令過程是一個帶參過程，這樣可使發(fā)送命令簡便易行。

3）接收數(shù)據(jù)：

接收數(shù)據(jù)是一個被動的過程，可以通過函數(shù)來實現(xiàn)，由定時器開啟。在接收過程中，多數(shù)用特征字符，如“OK”、“#”等。這些需要在通信協(xié)議中約定。

4）Timer控件控制：

通過Timer控件來控制通信中的發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)過程，在通信程序中設(shè)置兩個Timer控件分別控制發(fā)送單片機命令和接收單片機數(shù)據(jù)。

5）自動接收、監(jiān)視總線狀態(tài)和通信錯誤的處理：

自動接收、監(jiān)視總線狀態(tài)和通信錯誤的處理可以通過OnComm事件實現(xiàn)。通過控件中的OnComm事件可以捕捉和處理錯誤。當CommEvent屬性值發(fā)生改變時，表明有通信錯誤，就會產(chǎn)生OnComm事件。這樣可以監(jiān)視通信線路狀態(tài)，得到單片機和主機及單片機和單片機之間的通信進程。

綜合以上分析，我們可知：利用Visual Basic的串行通信控件實現(xiàn)了計算機與多單片機之間的通信。同時，采用定時器控件控制收發(fā)過程，在必要的地方自動接收，使定時控制和通信過程完美地結(jié)合起來，大大加快了進程，克服了往多“握手”協(xié)議造成的通信速度緩慢的缺點。

3.3上下位機間的通信過程

計算機（上位機）與多單片機（下位機）之間的串行通信采用RS-485總線標準，半雙工傳輸方式。

1） 通信均有上位機發(fā)起，下位機不主動申請通信。

2） 當處于輪詢狀態(tài)時，上位機依據(jù)下位機地址，定時向下位機發(fā)送呼叫指令。此時，每臺下位機都中斷接受并判斷，地址不相符的下位機中斷返回，執(zhí)行其他下位機任務(wù)；反之則把本機地址及其狀態(tài)作為應(yīng)答信號發(fā)送給上位機。上位機接收到應(yīng)答信號后，可以作進一步的處理。

4結(jié)論

大型電子投票表決系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要集中在通信協(xié)議的設(shè)計。通信協(xié)議是保證通信暢通的關(guān)鍵，在一定程度上也影響著網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。本論文設(shè)計了一種以單片機為主控機的基于幀的通信協(xié)議，本通信協(xié)議適用于計算機和單片機點對點通信的情況。

需要注意的是，數(shù)據(jù)通信只是整個系統(tǒng)的一部分內(nèi)容，要占用盡量少的時間，以求達到整個系統(tǒng)的高效率。在通信數(shù)據(jù)量一定的情況下，采用較高的波特率雖然比較好，但高的波特率必定要降低傳輸距離，在實際應(yīng)用中必須仔細衡量。為了能使具體的命令、數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上正確地傳輸，在數(shù)據(jù)鏈路層必須提供一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，保證在物理層的比特流出現(xiàn)錯誤時能夠進行檢測和校正。為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對每個字節(jié)進行校驗的同時，應(yīng)盡量減少特征字和校驗字。

本文所提出的通信協(xié)議的設(shè)計思想和思路方法對于相關(guān)設(shè)計和應(yīng)用具有一定的參考意義和借鑒價值。

參考文獻

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